Materialefejl forårsaget af strålingsskader kan karakteriseres ved at måle den energi, som defekterne frigiver ved opvarmning. Det er konklusionen fra forskere i USA og Finland, som siger, at deres nye tilgang kan føre til bedre teknikker til at kvantificere den forringede ydeevne af bestrålede materialer – noget, der kan have vigtige konsekvenser for driften af aldrende atomkraftværker.
Bestrålede materialer, såsom dem, der bruges i atomreaktorer, beskadiges, når absorptionen af neutroner og andre højenergipartikler skaber atomare defekter. Denne skade kan med tiden forringe materialets samlede ydeevne. Det kan dog være meget vanskeligt at karakterisere mikroskopiske skader, fordi selv banebrydende teknikker som transmissionselektronmikroskopi (TEM) ikke nøjagtigt kan måle typen, størrelsen og tætheden af defekter i et materiale.
Frigivelse af energi
I stedet for at sondere defekter direkte, så Charles Hirst ved Massachusetts Institute of Technology og kolleger på, hvordan bestrålede materialer lagrer energi i deres atomare defekter og derefter frigiver denne energi, når de opvarmes. Nøglen til deres teknik er, at denne frigivelse sker, når en bestemt energibarriere er nået – en barriere, der er specifik for defektens art.
For at observere denne proces brugte de en teknik kaldet differential scanning calorimetry (DSC), som måler forskellen mellem mængden af varme, der kræves for at hæve temperaturen på en prøve, og et referencemateriale med en veldefineret varmekapacitet.
I dette tilfælde var prøven en lille titaniumnød, bestrålet i 73 dage, som simulerede den stråling, den ville opleve i en rigtig atomreaktor. Som reference brugte holdet en identisk møtrik, der ikke var blevet bestrålet. I deres eksperiment opvarmede de gradvist prøven og referencen fra stuetemperatur til 600 °C med en hastighed på 50 °C pr. minut.
Vakuumteknologiens comeback immuniserer nanoelektronik fra stråling
Undersøgelsen afslørede, at mellem 300-600 °C blev overskydende energi frigivet fra den bestrålede møtrik i to forskellige trin, hvilket indikerer, at defekter slapper af ved disse temperaturer gennem to forskellige mekanismer. Hirsts team brugte derefter simuleringer af molekylær dynamik til at forstå hver af disse mekanismer.
Med TEM kunne disse defekter kun studeres ved langt lavere temperaturer, derfor kunne opførselen af defekter i det højere temperaturområde kun ekstrapoleres af holdet. Indtil videre har dette givet dem mulighed for at identificere én energifrigivelsesproces. Baseret på dette resultat forudsiger Hirst og kolleger, at DSC har potentialet til at afdække mange nye mekanismer for energifrigivelse i andre materialer, hvilket afslører defekter, der hidtil har været skjult for andre teknikker.
Deres tilgang kunne være særlig nyttig til inspektion af atomreaktorer. Ved at udtrække små prøver fra reaktorer, kunne operatører bruge DSC til bedre at kvantificere omfanget af, hvordan en komponent er nedbrudt fra strålingseksponering. Dette kan hjælpe reaktoroperatører til at træffe mere informerede beslutninger om, hvorvidt komponenter er sikre at fortsætte i drift. Til gengæld kan dette forlænge levetiden for eksisterende atomkraftværker - selv dem, der anses for at være ved at nå slutningen af deres levetid - i årtier fremover.
Forskningen er beskrevet i Science Forskud.
